瑞萨电子ASI4U-V5芯片解决方案

概要

如今，工业自动化设备需要处理比以往更多的数据。传统的设备仅侧重于实际任务所需的数据，而当今的设备还要处理用于配置、诊断、警报、参数化等用途的辅助数据。为此，我们需要新的通信系统来满足这些不同级别的信息需求。Actuator-Sensor-Interface version 5（执行器-传感器-接口版本5，简称Asi-5）有利于建立相应的机制，以满足这种信息处理需求，同时达到传统系统的可靠性，提升周期时间性能。由于ASi-5是一种真正的总线系统，因而它在线缆安装方面有很高的灵活性，从而降低了整体系统成本。ASI4U-V5芯片解决方案为ASi-5提供了一体化系统解决方案，确保提供简单的集成选项，在ASi-5规范定义的所有模式下支持ASi-5。

本文将探讨ASi-5技术的一些细节，概述如何在ASI4U-V5芯片解决方案中实施这种技术。 

1关于 ASI4U-V5 

瑞萨电子利用其在传输方法和半导体技术领域的专业知识，为ASi-5标准制定及其在芯片解决方案中的技术实施做出了贡献。特别是在模拟技术方面，瑞萨利用大量技术创新，实施了高度可靠的先进技术。除了ASI4U-V5半导体产品之外，开发联盟还为IC提供了经过验证的固件。由于开发人员无需处理ASI4U-V5芯片的内部细节，可以极大地简化ASi-5的实施。所有芯片功能都通过固件集成在一起。该固件涵盖在ASi-5标准中定义的两种器件实施（见图1）。在“简易从站”模式下，进程数据仅通过数字I/O传输至芯 片，然后再通过ASi-5协议传输。

相反的，在“复杂从站”模式下，则通过SPI接口为IC传输数据。每个周期最多可以交换32个字节的数据，这样可以实现复杂的应用，并扩展ASi-5的功能。

图1：ASi-5从站选项

2ASi-5 传输功能

①  传输技术

兼容传统ASi实施是ASi-5规范的一个关键要求。为了确保在同一线缆上保持与ASi-3的兼容性，开发团队决定在ASi-3通道以上的频谱中传输ASi-5数据。ASi-3使用时分多路复用方法，在5ms的周期时间内按顺序交换数据，最多有31个从机（使用A/B寻址时有62个从机）。ASi-3占用从50kHz至500kHz的频段。在实际执行中，ASi-5数据在2至8MHz之间的频率下进行调制。这里使用了正交频分复用方法。也就是将频段分成若干个子频段，每个子频段用于传输单独的数据流。使用ASi-5技术时，这些频段之间的间隔为58.59kHz。正常工作条件下，至少有136个通道可用于ASi-5通信。在所有这些通道中，我们使用时分复用方法，首先在1.2ms内将数据从主机传输到从机，然后再将数据由从机传输到主机。我们使用的这种调制方法称为差分四相相移键控（DQPSK）。使用DQPSK方法时，每传输一个符号，要传输两个数据位。

图2：出色的EMC可靠性

②  出色的EMC可靠性

在每个周期中，要双向传输20位数据，每个数据通道采用循环冗余校验（CRC）进行保护，这样可以有效发现错误。所有进程数据传输同时在三个通道上发生。接收器必须在至少两个通道上接收到相同的数据，才会将进程数据识别为有效（2oo3保护）。另外一种保护手段是每个符号连续传输两次，这样可以进一步防止短期电磁干扰。我们采用了上述三种不同方法来保护数据传输，防止外部干扰。总而言之，这样可以实现稳定的数据传输，甚至在不利的传输条件下也能做到。

图3：子周期/通道捆绑和复用/抖动

③  取决于具体应用的总线配置

如图3所示，在1.2ms周期内可以处理最多24个逻辑传输通道。这意味着可对最多24个从机进行寻址。如果要连接更多从机，可以通过时分复用过程，共享相同的传输频率。这样可以达到2.5ms、3.8ms或5ms的周期时间，最多连接48个、72个或96个从机。

④  灵活配置每个网络节点的数据速率

如果每个周期要传输16位以上的I/O数据，可通过通道捆绑和复用来实现。通道捆绑可在一个子周期中连接多个通道。使用复用技术，可在多个子周期中连接多个通道。通过这种方式，可在一个周期中交换最多32个字节。除了循环数据之外，还有一个称为异步管理通道（AMC）的异步通道。这个通道耦合四个载波频率用于进行通信，提供5倍的冗余。因此AMC占用20个载波频率。从机的初始激活是通过AMC进行协商的。此外，AMC实现了很多新机制，例如诊断和参数化。

3ASI4U-V5：ASi-5 芯片解决方案传输功能

①  功能和接口

ASI4U-V5芯片解决方案满足了ASi-5的所有要求。客户只需专注于各个应用的正确连接，从而轻松地集成ASi-5收发器。图4显示了典型应用中的芯片连接。

图4：主要接口和应用示例

固件存储在芯片内部的非易失性存储器上。传感器/器件制造商通过调试接口，将取决于具体应用的ASi-5配置存储在指定的可编程闪存位置，并由固件相应地进行解析。

线路上的ASi-5信号通过变换器，耦合到芯片内部的模拟、电源和振荡器模块（APOS）。在APOS模块中，高精度模数转换器的信号通过不同的放大器级和信号滤波器提供给接收器单元。在模数转换器后，一个数字模块会对信号进行解调，并将已解调数据存储在内部存储器中。当接收路径因外部干扰而过驱动时，突发检测器会检测到，并标记产生的错误数据。使用上文描述的机制，通常可以解决这个问题。

内部CPU会接管所有后续处理步骤。在相反方向上，发送也通过类似方式实施。CPU将要发送的数据存储在内部存储器中。调制器单元通过数字方式调制信号，然后将数据值传输到APOS中的模数转换器。后续的信号路径通过阻抗变换器，再到滤波器和线路驱动器，后者在ASi线路上传输信号。

电源电压来自于ASi线路上的24V至30V电压。此外，还通过芯片中的内部LDO产生另外四个电压。

在“简易从站”应用中，最多可有22个I/O数据通过GPIO直接连接到相应的应用。GPIO直接耦合到相应的ASi-5传输通道。要让整个系统正常工作，必须将相应的配置存储在 ASI4U-V5器件的闪存中。“简易从站”的所有特定属性都可以通过片上配置部分进行配置。在工作过程中，应用不需要任何软件组件来对ASI4U-V5器件进行寻址。这让“简易从站”模式非常容易实施。

相反的，在“复杂从站”模式下，应用接口是芯片上的SPI接口。器件上包含了固件，因而非常复杂。在这种模式下，每个周期最多可以传输32字节的进程数据。与“简易从站”相反，它可以通过SPI接口来进 行诊断和事件处理。LED接口按照标准，独立地控制状态LED指示灯。

结论

ASi-5提供丰富的功能来支持工业4.0应用。它不仅支持实时通信，还支持各种辅助功能，例如参数化、诊断和警报。它采用的传输技术非常先进，而且极其稳定可靠。瑞萨提供的ASI4U-V5器件能够尽可能地减少ASi-5接口集成的工作量。复杂传输方法的实施要分为硬件和固件这两个部分。在“简易从站”应用中，仅为芯片提供进程数据。紧凑节能的设计有利于开发尺寸更小的设备。统一固件可以保证 ASi-5器件的互操作性，同时保证与ASi-3的兼容性，实现了现有系统的简易扩展。除了芯片、固件和开发板之外，瑞萨还提供有关芯片解决方案及其应用的大量文档。

瑞萨提供的这款芯片采用64引脚QFN封装（9 x 9 mm，0.5 mm间距），在典型应用中的功耗不足半瓦特。该芯片可在-40°C至85°C的温度范围内工作。瑞萨还提供参考电路、IC样品和入门套件。